综述：全球太阳风结构(GLOWS)

这篇综述详细介绍了NASA星际测绘与加速探测器(IMAP)上的GLOWS（全球太阳风结构）实验装置。该装置通过观测星际中性氢(ISN H)产生的莱曼-α（Lyman-α, 121.567 nm）后向散射辉光（helioglow），反演太阳风速度和密度的纬度剖面结构。GLOWS是一个单像素莱曼-α光度计，其核心科学目标是以卡林顿周期(Carrington rotation)为时间分辨率，监测太阳活动周期内太阳风全球结构的演化，并为理解IMAP探测到的能量中性原子(ENA)通量在穿越终止激波过程中的衰减提供关键参数。文章全面阐述了GLOWS的科学目标、工作原理、仪器设计（包括光学入口系统、探测器、电子学单元等）、地面与在轨定标方案、数据处理流程以及预期的数据产品。

　　

引言

GLOWS（全球太阳风结构）是NASA星际测绘与加速探测器（IMAP）任务上的实验之一。其科学目标是研究太阳风的全球纬度结构及其在太阳活动周期内的演化，同时研究日球层内星际中性氢（ISN H）的分布以及作用于ISN H的太阳辐射压力。

这些目标是通过观测氢的日球层后向散射辉光（或称“日球辉光”）来实现的。日球辉光是由日球层内距离太阳数个天文单位（au）处的ISN H原子，被太阳莱曼-α波段的强电磁辐射（121.567 nm）共振激发而产生的。激发后的原子几乎立即以几乎相同的波长向随机方向再发射一个光子， collectively 形成了日球辉光。日球辉光在天空中的强度变化范围约为200-1500瑞利（Rayleigh）。

日球层内ISN H气体的密度和速度受太阳引力和莱曼-α谱线辐射压力以及电离损失共同控制。若太阳辐射是球对称的，ISN H的流动模式将具有轴对称性。然而，太阳风具有随太阳活动周期演化的纬度结构，这打破了电离率的球对称性，进而导致ISN H密度分布和日球辉光天空分布的轴对称性被破坏。

因此，通过观测日球辉光的天空分布，并适当考虑非日心观测的几何效应，就有可能推断出太阳风的纬度结构。GLOWS实验正是基于Bzowski（2003）提出的思想，通过观测一个有限的日心天空圆环上的光变曲线来实现这一目标。

科学需求与能力

科学目标

GLOWS实验的目标是以与典型日球层能量中性原子（ENA）从终止激波传播到1 au所需时间相当的时间分辨率，获取1 au处太阳风速度和密度的纬度剖面，并研究其在太阳周期内的演化。基于这些剖面，还可以得到终止激波内日球层ENAs的衰减因子。

监测太阳风纬度结构对于更好地理解太阳活动至关重要，同时也为解释IMAP其他实验（特别是观测ENA和ISN气体的实验）的数据所必需。日球层内的中性原子会受到电离损失，这会衰减在1 au处观测到的ENA和ISN通量。主要的损失反应是H原子与太阳风质子（p）的电荷交换反应：H + p → H_PUI⁺ + H_ENA。这个反应在日球层内产生两个新的粒子群，即ENA（H_ENA）和拾起质子（H_PUI⁺）。

GLOWS提供的太阳风速度和密度剖面将成为日球层电离因子模型WawHelioIon的一部分。该模型用于模拟日球层内ISN气体分布、日球辉光以及计算日球层ENAs的存活概率，这些对于解释IMAP的观测数据至关重要。

GLOWS的信号源

GLOWS观测到的信号源包括：

1. 1.
   莱曼-α谱线的日球层后向散射辉光（主要信号）。
2. 2.
   太阳表面耀斑和活动区在行星际氢上的反射（“探照灯”效应）。
3. 3.
   日球层外和太阳系内源，如恒星、银河、彗星、行星（木星、土星、火星）、月球和地球外逸层等。
4. 4.
   来自强辐射源的杂散光（主要是太阳光）。
5. 5.
   粒子背景（如穿透性辐射、宇宙射线等）。
6. 6.
   通道电子倍增器（CEM）和电子学的暗电流。

GLOWS的科学分析主要针对第1项信号，其他信号需要被识别和扣除。第3项中的恒星计划用于在轨绝对定标。

仪器描述

GLOWS是一个用于测量日球层莱曼-α辉光强度的单像素光度计。

其飞行模型如图2所示，主要性能参数见表1。

光学入口系统

光学路径的关键组件包括：

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  遮光罩和准直器：定义仪器的视场（FoV）和点扩散函数（PSF）。准直器由一系列平行的光学通道（“管”）组成，表面经过黑化以抑制杂散光。遮光罩带有遮阳板，可防止太阳光直接进入仪器。
• •
  光学滤光片：采用Acton FN122-XN-1.2D干涉滤光片，定义仪器的光谱带宽，中心波长约120.5 nm，半高全宽（FWHM）约8.5 nm。
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  接地镍网：位于滤光片和CEM之间，用于控制电场并防止滤光片产生的光电子进入CEM。

探测器系统

• •
  通道电子倍增器（CEM）：用于探测单个光子事件，需要高电压（HV）偏置（通常1-3 kV）工作。其增益随工作电压和处理的总电荷量变化。
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  前端电子学系统（FEE）：调理CEM产生的信号，放大电压脉冲，并根据设定的阈值（THRS）甄别有效事件，将信号传输至数字处理单元（DPU）。

数字处理单元（DPU）

DPU提供飞行软件运行环境，控制GLOWS子系统，管理科学数据采集流水线，进行健康监测，并通过UART接口与航天器通信。其核心是FPGA芯片，运行着引导软件（BootSW）和应用软件（AppSW）。

电源系统

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  低压电源（LVPS）：为高压电源（HVPS）、FEE和DPU提供稳定、可靠的稳压电源。
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  高压电源（HVPS）：为CEM探测器提供所需的高电压。

仪器性能模型与定标

仪器的整体灵敏度用定标因子α表示，它将计数率（cps）转换为瑞利单位的光子通量密度。α是量子效率（QE）、探测器有效面积（A）和有效立体角（Ω）的函数。

地面定标

GLOWS飞行模型的定标和性能验证在德国联邦物理技术研究院（PTB）的计量光源（MLS）完成。通过使用单色化同步辐射进行光谱响应和量子效率测量，确定了仪器的中心波长、带宽和灵敏度。点扩散函数（PSF）的测量也通过光栅扫描和数值模拟相结合的方式完成。

根据定标结果，估算出在特定电子学设置（HV₀=1550 V, THRS₀=1.74 V, COMP₀=3.2 V）下，GLOWS的定标因子α₀ ≈ 3.37 ± 0.19 cps/Rayleigh。信噪比（SNR）在温度低于30°C时高于1000。

在轨定标追踪

为监测探测器灵敏度在轨衰减，GLOWS将利用一组经过挑选的、在极紫外（EUV）波段明亮且光度稳定的恒星进行周期性观测。通过分析这些恒星穿过仪器视场时的光变曲线，可以反演出仪器的PSF，并追踪其灵敏度的变化，从而对科学观测数据进行校正。

仪器操作

GLOWS沿以航天器自转轴为中心、半径75°的扫描环扫描天空，收集CEM上的莱曼-α光子直接事件（DE）。数据采集以自转块为单位进行，DE按自转相位角分档存入直方图。默认情况下，直方图有3600个档位（角分辨率0.1°），时间分辨率约2分钟。

GLOWS的操作由在轨应用软件（AppSW）管理，其状态机根据IMAP的指向标志进行状态转换，包括日间（Day）、傍晚（Evening）、日落（Sunset）、夜间（Night）和日出（Sunrise）状态，以确保在航天器机动期间仪器安全，并标记不稳定的数据。

数据产品

GLOWS的数据产品包括从Level 0（遥测包）到Level 3E的多级处理结果。

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  Level 1A/1B：原始计数直方图，附带辅助数据（星历、自转轴方向等）。
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  Level 2：每日累积的、经过定标的高分辨率光变曲线（瑞利单位）。
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  Level 3A：经过掩模（去除恒星等污染）和背景扣除的低分辨率（4°）每日光变曲线。
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  Level 3B：基于Level 3A光变曲线，通过机器学习方法反演得到的、按卡林顿周期平均的ISN H总电离率纬度剖面。
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  Level 3C：将Level 3B的电离率剖面分解为光电离率、太阳风速度和太阳风密度在1 au处的纬度剖面。分解假设太阳风的机械能通量在纬度上不变。
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  Level 3D：构建WawHelioIon模型，提供太阳参数随时间演化的历史。
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  Level 3E：基于WawHelioIon模型，为IMAP的各ENA仪器（IMAP-Lo, IMAP-Hi, IMAP-Ultra）计算的不同能量ENA的存活概率。

总结与结论

GLOWS是波兰科学院空间研究中心（CBK PAN）为NASA的IMAP任务开发的莱曼-α光度计。它通过观测ISN H产生的日球层后向散射辉光，优化用于研究太阳风纬度结构的演化，满足并超过了其所有任务要求。

GLOWS的数据产品，包括每日日球辉光光变曲线、太阳风速度和密度的月度剖面，以及结合在WawHelioIon套件中的太阳参数演化历史，对于研究日球层中性粒子、拾起离子群和ISN气体至关重要。这些数据可用于评估IMAP的ENA仪器所观测到的能量中性原子的衰减，模拟其他空间实验过去观测到的日球辉光，分析星际中性气体及其衍生的拾起离子种群。从GLOWS获得的太阳风结构演化为结合IMAP的原位和遥感观测研究太阳活动周期内全球日球层的演化，以及分析IBEX和IMAP观测到的ISN气体（特别是ISN氢）提供了背景。